質(zhì)子交換膜燃料電池前級直流變換器仿真研究

胡 鵬，劉 波，石 瑛，蔣 贏，冉鵬程

(1.上海電機(jī)學(xué)院電氣工程系，上海200240；2.上海公用事業(yè)學(xué)校資源和環(huán)境系，上海200030)

質(zhì)子交換膜燃料電池前級直流變換器仿真研究

胡 鵬1，劉 波1，石 瑛2，蔣 贏1，冉鵬程1

(1.上海電機(jī)學(xué)院電氣工程系，上海200240；2.上海公用事業(yè)學(xué)校資源和環(huán)境系，上海200030)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為一種清潔高效的分布式新能源，具有廣泛的應(yīng)用前景，但因其輸出直流電壓隨著負(fù)載波動幅度較大，必須具備升壓穩(wěn)壓功能的高效率電力變換器。選擇電壓型全橋移相零電壓軟開關(guān)直流變換器作為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的升壓前級，對此前級直流變換器進(jìn)行硬件參數(shù)計算，采用電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，通過Matlab/Simulink仿真軟件驗(yàn)證所設(shè)計的硬件參數(shù)和軟件算法，使得輸出電壓能夠穩(wěn)定控制，并且具有較強(qiáng)的抗負(fù)載波動能力和較高的轉(zhuǎn)換效率。

質(zhì)子交換膜燃料電池；直流變換器；電壓型全橋移相；雙閉環(huán)控制

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種將燃料與氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的新型發(fā)電裝置，具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。燃料電池輸出電流為直流電，電壓相對較低，伏安特性相對其它類型化學(xué)電源較“軟”，并且隨著負(fù)載的變化而大范圍變化[2]，因此在燃料電池的輸出電壓和直流母線之間必須有具有升壓、穩(wěn)壓功能的高效率電能變換器，本文即PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的前級直流變換器的控制仿真研究。

1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

PEMFC是一個復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，它根據(jù)負(fù)載功率要求實(shí)時調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的流量和壓力，當(dāng)負(fù)載波動時，需要外部的裝置配合參與調(diào)整，使得時間響應(yīng)常數(shù)較慢，而且電化學(xué)反應(yīng)容易受到濕度、溫度和壓力等外界參數(shù)干擾，導(dǎo)致輸出電壓更易波動，需要電力變換裝置在較寬輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定電壓；另外由于單片電池輸出電壓較低，負(fù)載運(yùn)行時電壓一般在0.6～0.8 V，電流密度在0.2～1 A/cm2，所以對中小型PEMFC而言，輸出電壓一般較低，因此在PEMFC輸出電壓和用戶/電網(wǎng)之間必須有一級是具有升壓功能的電力變換裝置，現(xiàn)有的小功率燃料電池直流升壓模塊大部分采用非隔離式Boost拓?fù)鋄3-5]，但從安全隔離方面考慮，中大功率PEMFC應(yīng)利用變壓器隔離提升電壓。

系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，質(zhì)子交換膜燃料電池輸出首先通過一個隔離的前級直流變換器將燃料電池直流電壓升壓到逆變器所需的直流電壓，同時提供隔離，然后逆變器將升壓的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給用戶。隔離型直流變換器具有更大的電壓增益范圍，同時還能為系統(tǒng)提供隔離，并且高頻變壓器相比工頻變壓器可以降低成本、減少電路的損耗、減小體積和提高功率密度。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池前級直流變換器框架結(jié)構(gòu)

燃料電池用前級直流控制器采用升壓電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用電壓型全橋移相電路形式，使用軟開關(guān)技術(shù)，提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中為四只MOSFET開關(guān)管；分別為的反并聯(lián)二極管；分別為的寄生電容或外接電容；為諧振電感 (包括變壓器漏感)；為隔直電容，每個橋臂的兩個開關(guān)管均為180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個橋臂相應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動信號之間相差一個移相角相位，通過調(diào)節(jié)移相角的大小調(diào)節(jié)輸出電壓。該拓?fù)渚哂虚_關(guān)管工作期間電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力較小，高頻功率變壓器的利用率高等優(yōu)點(diǎn)，適合完成軟開關(guān)管控制，減少變換器中的開關(guān)管損耗，提高轉(zhuǎn)化效率[6]。

圖2 電壓型全橋DC/DC變換器

由于燃料電池的特殊性質(zhì)，燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)前級DC/DC變換器應(yīng)具有的主要功能是：在燃料電池輸出電壓因負(fù)載變化而大范圍變動時，穩(wěn)定并提升電壓供給后級逆變器或直流用戶，實(shí)現(xiàn)燃料電池與用戶/電網(wǎng)的安全隔離。

2 質(zhì)子交換膜燃料電池動態(tài)模型

為準(zhǔn)確分析PEMFC動態(tài)運(yùn)行特性，有必要通過流量平衡、能量平衡角度和電化學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式對PEMFC的流量、壓力、電壓和功率的動態(tài)特性進(jìn)行分析[7]，為簡化分析作了一些假設(shè)：質(zhì)子交換膜內(nèi)水完全飽和，并忽略電池內(nèi)水對電池性能的影響，電池的壓力和溫度都是統(tǒng)一分布的[8]。

2.1 氣體流場動態(tài)模型

根據(jù)物質(zhì)流量守恒，陽極流場進(jìn)出氣體與反應(yīng)的氫氣摩爾流量維持動態(tài)平衡。

式中：nan,H2為陽極內(nèi)氫氣摩爾量；Nin/rec/outan,H2為陽極氫氣輸入 /反應(yīng)/輸出摩爾流量。其中反應(yīng)消耗的氫氣摩爾流量為：

式中：N為單電池個數(shù)；Ist為電池電流；F為法拉第常數(shù)(96 485 C/mol)。陽極氫氣的輸出流量Noutan,H2與陽極氫氣壓力Pan,H2和氫氣排出壓力之差PoutH2成比例關(guān)系。

陰極內(nèi)主要填充的是氧氣和氮?dú)?，根?jù)物質(zhì)流量守恒，陰極流場進(jìn)出與反應(yīng)的氧氣流量和氮?dú)饽柫髁烤S持動態(tài)平衡。

式中：nca,O2為陰極內(nèi)氧氣摩爾量；Ninca,air為空氣輸入摩爾流量；Nrec/outca,O2為陰極氧氣反應(yīng)/輸出摩爾流量。

式中：nca,N2為陰極內(nèi)氮?dú)饽柫浚籒outca,N2為陰極氮?dú)廨敵瞿柫髁俊?/p>

其中反應(yīng)消耗的氧氣摩爾流量為：

陰極側(cè)氣體反應(yīng)后排空，陰極輸出的流量Noutca與陰極壓力Pca和環(huán)境壓力Pamb之差成比例關(guān)系，Kca為陰極比例系數(shù)，同時陰極壓力Pca由氧氣壓力Pca,O2和氮?dú)鈮毫ca,N2組成，可通過理想氣體狀態(tài)方程計算。

式中：Vca為陰極壓力。

而氧氣和氮?dú)獾妮敵隽髁坑善鋲毫Ρ壤龥Q定。

2.2 PEMFC電化學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

單電池的輸出電壓Vcell主要由開路電壓E、極化過電壓ηact和歐姆過電壓ηohm組成[9]。

單電池的開路電壓可用Nernst等式表示如下：

電流密度i定義為電流Ist除以有效面積A。

陽極氫氣濃度Can,H2和陰極氧氣濃度Cca,O2是電池溫度和各自壓力的函數(shù)。

極化過電壓ηact可以由Tafel等式表示如下：

歐姆過電壓可由歐姆定律表示：

3 前級直流變換器主要元件參數(shù)確定規(guī)則

移相全橋變換器的兩個橋臂的開關(guān)管都在零電壓軟開關(guān)條件下運(yùn)行，能較好地應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池的前級直流變換器設(shè)計，本節(jié)介紹了電路中主要元器件參數(shù)的計算方法。

3.1 超前橋臂零電壓開關(guān)實(shí)現(xiàn)

超前臂要實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，必須有足夠的能量抽走即將開通的開關(guān)管的結(jié)電容及截止整流管DR2和DR3的結(jié)電容和上的電荷，并給剛關(guān)斷的開關(guān)管的結(jié)電容充電，即：

3.2 滯后橋臂零電壓開通實(shí)現(xiàn)

滯后橋臂開關(guān)過程中，變壓器副邊短路，用于實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的能量只有諧振電感中的儲能，因此對滯后橋臂較困難。當(dāng)滯后橋臂工作時，變換器諧振電感和開關(guān)器件的并聯(lián)電容、諧振，A點(diǎn)電位由逐漸減小，當(dāng)?shù)陀诘仉娢粫r，導(dǎo)通，此時開通實(shí)現(xiàn)零電壓開通。若要實(shí)現(xiàn)滯后橋臂零電壓開通，必須滿足三個條件：

(1)串聯(lián)諧振電感儲能大于滯后橋臂并聯(lián)電容儲能與變壓器原邊寄生電容儲能：

實(shí)際中，變壓器原邊匝數(shù)較少，且采用多股漆包線并繞，所以原邊寄生電容很小，可忽略變壓器寄生電容，簡化為：

(2)在滯后橋臂開通時，原邊電流近似不變，滯后橋臂的并聯(lián)電容滿足：

(3)滯后橋臂開關(guān)的死區(qū)時間應(yīng)小于或等于四分之一的諧振周期，即：

3.3 隔直電容

推導(dǎo)出隔直電容計算公式：

3.4 高頻變壓器

高頻變壓器是PEMFC直流變換器的核心器件，將燃料電池較低的輸出電壓提升到較高的電壓，其參數(shù)設(shè)計至關(guān)重要。

為在輸入電壓范圍內(nèi)能夠輸出所要求電壓，通過選擇高頻變壓器副邊的最大占空比，計算副邊電壓最小值為：

根據(jù)磁芯材料手冊，選定具體磁芯型號，為減小鐵損，根據(jù)開關(guān)頻率，可查出最高工作磁密和磁芯的有效導(dǎo)磁面積，可計算原副邊匝數(shù)和導(dǎo)線股數(shù)，進(jìn)而多次核算窗口面積和選擇合適磁芯。

3.5 輸出LC濾波電路

在PWM全橋變換器中，原邊的交流方波電壓經(jīng)過高頻變壓器和輸出整流橋后，得到高頻直流方波電壓，需要LC濾波器平滑該直流方波電壓。對全橋變換器而言，濾波電感電流脈動為：

為減小濾波電感電流脈動，希望濾波電感越大越好，但受限于其尺寸、質(zhì)量、成本和響應(yīng)時間考慮，一般選擇輸出濾波電感電路最大脈動量為最大輸出電流的20%，則濾波電感設(shè)定為：

考慮選擇時，還設(shè)計串聯(lián)等效電阻ESR的影響，實(shí)際選用電容時，一般選擇多個電解電容并聯(lián)使用，并使輸出濾波電容的耐壓值比輸出電壓的最大值略高。

4 系統(tǒng)仿真分析

4.1 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

質(zhì)子交換膜燃料電池是一個復(fù)雜非線性系統(tǒng)，維持輸入燃料與空氣特定摩爾流量下，利用Matlab/Similink R2012a軟件進(jìn)行PEMFC動態(tài)性能仿真研究。仿真參數(shù)分別設(shè)置如下，單電池個數(shù)為70，電池有效面積為160 cm2，開路電壓為1.229 V，膜厚度m為0.017 8 cm，膜水合含量為14，電堆溫度為338 K，環(huán)境壓力為0.1 MPa，氫氣排出壓力為0.15 MPa，陽極比例系數(shù)為6.8×10－7mol·s－1·Pa－1，陰極比例系數(shù)為2.78×10－6mol·s－1·Pa－1，陽極等效體積為0.005 m3，陰極等效體積為 0.01 m3，完成額定功率6 kW、額定電壓56 V的質(zhì)子交換膜燃料電池仿真。

PEMFC與后級逆變器之間的直流變換器主要用于將燃料電池的不穩(wěn)定電壓變換為逆變器所需的穩(wěn)定直流電壓，6 kW質(zhì)子交換膜燃料電池前級直流變換器具體設(shè)計要求為：輸入電壓為PEMFC輸出電壓30～70 V DC，穩(wěn)定輸出電壓為100 V DC，額定功率6 kW，允許過載125%，要求在額定輸出電流下，長時間工作?？筛鶕?jù)第4節(jié)公式分別計算直流變換器參數(shù)參考值。通常設(shè)置高頻變壓器副邊的最大占空比為0.85，工作頻率為20 kHz，根據(jù)式(26)計算副邊電壓最小值為121.8 V，然后根據(jù)式(27)設(shè)置高頻變壓器匝數(shù)比為1∶4；根據(jù)式(29)計算濾波電感為133.4 μH，可取200 μH，輸出電壓峰-峰值Δ設(shè)置為輸出電壓的0.1%，根據(jù)式(30)計算輸出濾波電容為 250.1 μF，考慮到輸出濾波電容的穩(wěn)壓效果，取值1 000 μF；考慮變換器在大于10%額定負(fù)載時能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，此時取為11 A，輸入最高電壓為70 V，根據(jù)式(19)，(21)，(22)計算與小于78.5 nF，取超前橋臂并聯(lián)電容== 60 nF，滯后橋臂并聯(lián)電容==70 nF，根據(jù)式(23)計算串聯(lián)諧振電感大于2.89 μH，可以取為10 μH；根據(jù)式(25)計算隔直電容為16.2 μF，可取為10 μF。

4.2 仿真結(jié)果分析

在Matlab/Simulink2012a仿真平臺上建立質(zhì)子交換膜燃料電池前級直流變換器仿真模型，如圖3所示，并根據(jù)前述數(shù)據(jù)完成雙閉環(huán)控制仿真實(shí)驗(yàn)，采用2×10－7s固定步長離散化仿真，在第0.1 s突加1/3負(fù)載測試直流變換器輸出穩(wěn)壓性能。

圖3 Simulink仿真圖

圖4 為并聯(lián)電容穩(wěn)定電壓后質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電壓動態(tài)特性，第0.1 s的突加負(fù)載使輸出電壓下降，通過雙閉環(huán)PI控制作用，控制量移相角調(diào)節(jié)如圖5所示，實(shí)時產(chǎn)生PWM脈沖控制開關(guān)管閉合，維持直流控制器輸出電壓穩(wěn)定在目標(biāo)電壓。圖6為直流變換器輸出電壓在負(fù)載擾動下的電壓輸出，直流變換器輸出電壓穩(wěn)定在100 V左右，第0.1 s由于負(fù)載突然變化導(dǎo)致輸出電壓波動后仍維持100 V穩(wěn)定。

圖4 質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電壓特性

圖5 控制量移相角實(shí)時調(diào)節(jié)情況

圖6 直流變換器輸出電壓在負(fù)載擾動下的電壓輸出

圖7 為MOSFET開關(guān)管的PWM控制波形，1、3開關(guān)管為超前臂PWM信號，2、4開關(guān)管為滯后橋臂PWM信號，同一橋臂之間死區(qū)時間設(shè)置為1 μs，PWM1與PWM4(或PWM2與PWM3)之間的相位差為移相角度，通過實(shí)時調(diào)節(jié)角度數(shù)維持輸出電壓穩(wěn)定。

圖7 PWM控制量波形

MOSFET開關(guān)管并聯(lián)的電容與諧振電感之間形成諧振，使開關(guān)管零電壓開通，完成了軟開關(guān)功能，能降低開關(guān)管的開關(guān)損耗。圖8為滯后橋臂開關(guān)管Q2漏源級DS之間的電壓和電流情況，可見當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，無電流通過，滯后臂較好地實(shí)現(xiàn)了的零電壓開通。

以上仿真結(jié)果顯示，本文所設(shè)計的質(zhì)子交換膜燃料電池直流變換器能實(shí)時響應(yīng)負(fù)載變化要求，通過電壓電流雙閉環(huán)控制，實(shí)時調(diào)節(jié)移相角大小，穩(wěn)定輸出電壓，并且硬件參數(shù)和軟件算法均能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖8 滯后橋臂Q2開關(guān)管的零電壓實(shí)現(xiàn)情況

5 結(jié)束語

本文以質(zhì)子交換膜燃料電池前級直流變換器為研究對象，建立了質(zhì)子交換膜燃料電池的電動態(tài)機(jī)理模型，確定了前級直流變換器的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電壓電流雙閉環(huán)控制策略，通過計算獲取主要元器件的參數(shù)選型，并利用 Matlab/ Simulink軟件完成該質(zhì)子交換膜燃料電池前級直流變換器的仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示該前級直流變換器能克服負(fù)載波動，通過實(shí)時調(diào)節(jié)移相角大小維持輸出電壓穩(wěn)定，并且實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓軟開關(guān)，具有較強(qiáng)的抗負(fù)載波動能力。

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Research on proton exchange membrane fuel cell DC converter simulation system

Proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)was a kind of clean and efficient distributed new energy with wide application ranges.It was necessary to equip an efficient electrical converter with boost and regulate voltage functions because the output direct current(DC)voltage of PEMFC fluctuates greatly under load changing.A voltage full bridge phase-shifted zero-voltage soft switching DC controller was designed as the fuel cell generation system pre-level boost unit,and then its hardware parameters were calculated and the voltage current double closed loop control structure were developed, finally the hardware parameters and software algorithm were testified in Matlab/Simulink software.The simulation results demonstrate the controlled output voltage was stable,resistant to load fluctuation with high efficiency.

proton exchange membrane fuel cell;DC converter;voltage full bridge phase-shifted;double closed loop control

TM 911

A

1002-087 X(2016)03-0561-04

2015-08-14

上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃項(xiàng)目(ZZSDJ12004)；上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動 (2012SCX54)；上海電機(jī)學(xué)院科研啟動項(xiàng)目(13C403)

胡鵬(1982—)，男，上海市人，工學(xué)博士，講師，主要研究方向?yàn)槿剂想姵丶捌潆娏ψ儞Q器控制。